全球碳循环的变化及影响
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全球碳循环及其变化和影响
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(西北大学地质学系地质学基地班;2009110***)
摘要 全球碳循环研究是全球变化科学中的研究重点之一,尤其是随着近些年温室效应的加强及人类活动对碳循环的影响,全球碳循环体系中,已经发生了初步的变化,作为全球主要碳库的大气、海洋、陆地的作用也在发生变化，主要表现在：（1）陆地由最初的碳汇逐渐转变成现在的弱碳源；（2）大洋作为全球碳循环中最主要的碳汇的作用在减弱；（3）大气中的CO2明显增多，其成为了主要的碳汇。这些变化对自然界的演化、对人类的生存、对环境等都有着严重的影响，为了了解这些变化产生的原因及减缓这些变化，我们有必要对全球碳循环作进一步的了解，本文将分别从草地、森林、海洋、气候等几个方面去探讨引起碳循环及其变化的原因，并对减缓碳循环变化提出几点看法及建议。
关键词 碳库；碳循环；碳源；碳汇；气候变暖
为了研究碳循环，我们首先要了解一下地球上的碳库。在碳循环过程中，我们所计算的是碳参与的数量而不是二氧化碳的数量。地球上总共约1017吨的碳，他们中的大部分都以化石燃料和石灰岩等碳酸盐岩石的形式存在。碳、煤、石油和天然气等化石燃料含有4×1012吨的碳，他们大部分由植物的遗骸分解后形成。甲烷水合物含有的碳为8×1012吨，它们主要存在于冰晶结构之中，分布于海底和部分的陆地沉积岩中。岩石、化石燃料、和甲烷水合物组成了地质碳库。大气中的碳库含量也达到了7300亿吨（受四季气候波动），主要是二氧化碳。其实，地球上大部分的碳还是贮存在海洋中。空气中的二氧化碳溶解于水后形成溶解的无机碳（DIC）。另外，水中的微生物、植物和动物的身体组织里也含有碳。它们所产生的废物及死后的遗骸等也含有碳并溶解于水，被称为溶解的有机碳（DOC）。河水将无机碳和有机碳带入海洋，所以海洋中的碳库大约是3.8万亿吨。此外，陆地上的碳库由土壤和有机物组成，其中土壤中的碳含量为1.5万亿吨（一部分是有机物死亡后分解产生的碳；另一部分是土壤颗粒间的空隙容量所吸收的大气中的二氧化碳），有机物所含的碳为5000亿吨，其中大部分来自于植物。（迈克尔.阿拉贝，2011）
全球碳库储量
库 数量/吨 库 数量/吨
大气 2×1012 化石燃料 4×1012
海洋 3.8×1012 甲烷水合物 8×1012
土壤 1.5×1012 生物圈 0.5×1012
有机物 0.5×1012 碳酸盐岩 7.5×1016
其他（泥碳） <0.3×1012
概括而言，地球上主要有四个碳库，即大气碳库、海洋碳库、陆地生态系统碳库和岩石碳库 ．从上表可以看出，岩石碳库的储量是最大的，但是其形成周期较长，约几百万年以上，可以视为相对静止.
碳循环
碳循环是碳元素在地球各圈层的流动过程, 是一个“二氧化碳—有机碳—碳酸盐”系统。光合作用和呼吸作用是碳循环的两个主要组成部分。二者每年吸收和释放的二氧化碳含量相差无几，大约是1200亿吨。每年海洋所溶解的二氧化碳是900亿吨，而同样数量的二氧化碳最终又从海洋回到了空气中。
碳循环还包括一些小的组成部分。陆地植物死亡后被分解出的碳有些不能直接进入大气，其中约有4亿吨的碳以有机的形式进入河流并最终随河水注入海洋。
雨水中的碳酸会与岩石中的碳酸钙发生反应，所以暴露于空气和水中的碳酸盐石也会风化释放出二氧化碳，每年产生的碳为2亿吨。这些碳被海水带入海洋。海洋生物死亡后所分解产生的二氧化碳每年为海洋增加2亿吨的碳，所以海洋每年吸收的碳的总量约为8亿吨。这其中有两亿吨沉积在海底最终形成碳酸盐岩层，其余的6亿吨会再度回到空气中。
已经死亡的植物有一小部分被埋在地下，处于真空状态，还有些在河口和湖口形成实心泥，有些变成化石并最终变成煤和泥碳。参与这一过程的碳约为3亿吨。火山喷发平均每年产生1亿吨的碳。
以上是自然界碳循环的主要过程，下图和表是对这一过程的简单呈现。
自然界碳循环
碳源 年释放量（10亿吨） 碳汇 年吸收量（10亿吨）
呼吸作用 132 光合作用 132
海洋 99.66 海洋 99
火山 0.11 沉积成岩石 0.22
风化 0.22 风化 0.22
海洋生物分解 0.22 来自陆地的有机碳 0.44
化石作用 0.33
总量 232.21 232.21
碳循环示意图
碳在大气中始终处于运动状态并被植物吸收利用.动植物将碳传给土壤中的有机生物生物和海底沉积物后又通过呼吸作用将其释放回大气.
下面从陆地、海洋、大气三个方面详细介绍碳循环:
陆地碳循环 土壤中的有机物 大气层
动物
植物
水
岩石 火山
燃烧
海洋中的有机物
海底沉积物 陆地生态系统是人类赖以生存与持续发展的生命支持系统，是全球生态系统碳循环的重要组成部分,在全球碳收支中占主导地位。
总的来说，陆地生态系统碳循环过程主要包括两方面内容：一是指植物通过光合作用吸收CO2，将碳贮存在植物体内，固定为有机化合物，形成初级生产量，同时又在不同的时间尺度上通过各种呼吸途径将CO2返回大气；二是指有机物的代谢，一部分有机物通过植物自身的呼吸作用和土壤及枯枝落叶层中有机质的腐烂即异氧呼吸返回大气，未完全腐烂的有机质经过漫长的地质过程形成化石燃料储藏于地下，另一部分则通过各种人为和自然因素进入大气一植被一土壤一岩石一大气的碳库之间的循环过程。
陆地生态系统主要分为森林生态系统、农田生态系统、草地生态系统以及湿地等生态系统 。碳的蓄积、储量或潜力在不同生态系统中有较大差异，同时受人类活动的影响也不同。
1、森林生态系统 森林是陆地上面积最大、结构最复杂、生物量最大、初级生产力最高的生态系统，森林生态系统在地圈、生物圈的生物地球化学过程中起着重要的“缓冲器”和“阀”的功能，陆地生态系统中的大部分碳源都蓄积在森林中。在这个系统中，森林的生物量、植物碎屑和森林土壤固定碳素成为碳汇，森林及森林中微生物、动物、土壤等的呼吸、分解释放碳素到大气中成为碳源。如果森林固定的碳大于释放的碳就成为碳汇，反之成为碳源。碳积蓄在森林生态系统中，主要以两种形式存在：一是以生物量即树干、树枝、树叶和树根等形式储存；二是以土壤有机碳的形式储存。目前森林包含的碳储量约占陆地生物圈地上碳储量的80％ 和地下碳储量的40％ ，其中约有2／3存在于土壤有机质中，只有约1／3储存在植被中 ，森林生态系统在碳循环中的作用主要取决于以下几个方面：一是生物量，植物生物量中含碳量约达到45％ 一50％ ，即整个森林生态系统的生物量中约有一半是碳素含量。而森林的生物量与其成长阶段有着密切关系，按照生长时间，森林一般可分为幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林，碳的生物量在中龄林中达到最大，成熟林达到基本的吸收释放平衡 。二是植物枯枝落叶和根系碎屑，这部分储存的碳量在整个森林生态系统中占的比例很少，但减缓枯枝的分解对于森林生态系统的固碳也起到了一定作用。三是森林土壤，森林土壤是该生态系统中最大的碳库．不同的森林类型土壤含碳量具有很大的差别。
2、农田生态系统 农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，而且是全球碳库中最活跃的部分。农田生态系统碳循环过程是在人类活动干扰下的生态系统物质转化过程。在农田生态系统中，碳主要以植物有机质和土壤蓄积的形式存在。农田生态系统在碳循环中具有特殊的地位：一方面，农作物在生长发育过程中会通过呼吸作用吸收二氧化碳，释放氧气；另一方面，发展农业，满足粮食供给会增加碳的排放量，不合理的农田活动和土地利用变化改变了农田生态系统的碳收支状况。
3、草地生态系统 草地生态系统作为陆地生态系统中的主体类型，约占陆地总面积的四分之一到三分之一，对气候和环境变化反应十分敏感，草地生态系统的碳循环是维系陆地生态系统的基本机制之一，并与陆地生态系统的维持、发展和稳定性机制密切联系。
草地生态系统中，绿色植物通过光合作用吸收大气中的二氧化碳合成有机物，植物枯死后的凋落物经腐殖化作用，形成土壤有机碳固定在土壤中，这部分有机碳经土壤动物和土壤微生物的矿化作用，可被植物重新利用。同时，植物光合作用固定的有机碳还可通过植物自身的呼吸作用、凋落物的异养呼吸以及土壤的呼吸作用重新进入大气，构成系统与大气间的生物地球化学循环过程。草地生态系统中的碳绝大部分储存在土壤中，碳蓄积长期处于稳定状态。
4、湿地生态系统 湿地包括各类沼泽、泥炭地、咸、淡水体，以及低潮位时6m水深以内的海域，是一类时空差异极大的生态系统，因此具有较低的有机质分解速率和较高的生产力成为重要的碳汇。据研究湿地植物净化的碳仅有15％释放到大气中，表明湿地生态系统能作为一个抑制大气CO2升高的碳汇。然而，气候变暖引起湿地水温和土壤温度升高，使
冰层覆盖变化、冻原融化、湿地水位下降影响湿地生态系统的生物群落演替及生物地球化学过程。湿地生态系统中的碳几乎全部作为死的有机物存储在土壤中，且受人类活动的影响很大。
海洋碳循环
海洋在全球碳循环中起着极其重要的作用, 海洋是地球上最大的碳库。海洋储存碳是大气的60倍, 是陆地生物土壤层的20 倍。
海洋中的碳主要以溶解无机碳(D IC)、溶解有机碳(DOC)、颗粒有机碳(POC)
等形式存在, 以溶解无机碳居多。海洋碳循环是碳在海洋中吸收、输送及释放的过程, 主要包括CO2的海-气通量交换过程、环流过程、生物过程和化学过程。
海洋碳循环可以分为三个方面。第一方面是“碳酸盐泵”, 就是大气中的CO2气体被海洋吸收, 并在海洋中以碳酸盐的形式存在； 第二方面是“物理泵”, 即混合层发展过程和陆架上升流输入, 它与海洋环流密切相关； 第三方面是“生物泵”, 即生物净固碳输出, 它是浮游植物光合固碳速率减去浮游植物、浮游动物和细菌的呼吸作用速率, 也就是通过生物的新陈代谢来实现碳的转移, 在海洋中主要是通过海洋浮游植物的光合作用来实现的。
大气碳循环
大气中碳含量并不高，但是大气中碳循环却是至关重要的，大气将陆地和海洋碳循环链接为一个整体，构成了整个全球的碳循环。
大气碳循环主要有三类：1、大气中的碳被陆地上的有机体吸收，主要是植物的光合作用及土壤中有机体合成；2、在气水界面被海水吸收，进入海洋碳循环体系；3、地质作用（如火山等）及有机体的呼吸作用释放CO2进入大气碳循环。
大气碳循环直接影响着全球碳循环，与人类的生活及生存也直接相关。
上面介绍了碳循环的主要过程，接下来探讨一下近些年来全球碳循环变化及其原因。
碳循环变化及原因探讨
从大的范畴来讲，近些年全球碳循环的变化主要表现在：（1）陆地由最初的碳汇逐渐转变成现在的弱碳源；（2）大洋作为全球碳循环中最主要的碳汇的作用在减弱；（3）大气中的CO2明显增多，其成为了主要的碳汇。究其原因，主要有以下几点：
土地荒漠化 土地荒漠化将不仅引起土壤有机碳矿化, 更重要的是从根本上改变了生态系统结构,。土地荒漠化使得原来土壤中固定的碳释放到了大气中，增加了大气中的碳含量。
草原开垦 草原开垦影响土壤碳贮量最为剧烈。草原开垦为农田通常导致土壤有机碳的大量释放。开垦后伴随的烧荒措施使原来固定在植被中的碳素全部释放到大气中。开垦使土壤有机质充分暴露在空气中, 土壤温度和湿度条件得到改善, 从而极大地促进了土壤呼吸作用, 加速了土壤有机质的分解。此外, 多年生牧草被作物取代后使初级生产固定的碳素向土壤中的分配比例降低(生物量的地下与地上比例降低) , 收割又减少了地上生物量碳向土壤的输入，使得陆地逐步转向碳源。
